冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量流函數(shù)及運(yùn)行策略

周任軍，康信文，李紹金，陳瑞先，唐 浩，周勝瑜

（長沙理工大學(xué) 智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114）

0 引言

冷熱電聯(lián)供 CCHP（Combined Cooling，Heating and Power）系統(tǒng)可同時(shí)為用戶提供冷能、熱能及電能等多種形式的能量，具有優(yōu)越的能源梯級利用性、污染氣體排放少的環(huán)保性等特點(diǎn)而得到廣泛的關(guān)注[1-3]。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略決定了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性[4]，“以熱定電”的運(yùn)行策略優(yōu)先滿足熱負(fù)荷需求，不足的電力由大網(wǎng)補(bǔ)充，富余電力也可直接上網(wǎng)，適用于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；“以電定熱”運(yùn)行策略優(yōu)先滿足電負(fù)荷需求，不足的熱能由輔助鍋爐提供，該策略更適用于孤島運(yùn)行[5-8]。

為充分發(fā)揮冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能源梯級利用的優(yōu)勢，高效利用可再生能源，文獻(xiàn)[9]在以燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)為驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)冷熱電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成光伏的新型系統(tǒng)，通過太陽能集熱及光伏發(fā)電與冷熱電系統(tǒng)供能的協(xié)調(diào)優(yōu)化，其能源和環(huán)境效益均得以改善。文獻(xiàn)[10]在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，考慮生物質(zhì)能發(fā)電、燃料電池、蓄電和蓄熱等存儲(chǔ)設(shè)備，雖然系統(tǒng)的運(yùn)行成本有所增加，但供電可靠性、生物質(zhì)能使用率均得以提升。針對系統(tǒng)的不同運(yùn)行策略，優(yōu)化模型以一次能源利用率、運(yùn)行成本和二氧化碳排放量為目標(biāo)[11-13]，冷、熱、電的年負(fù)荷量為等式約束，這些文獻(xiàn)考慮的均是時(shí)間段累積的熱、電平衡，未能準(zhǔn)確反映電能的實(shí)時(shí)平衡特性，對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的2種運(yùn)行策略缺乏準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)熱電能量流函數(shù)刻畫。

因此，考慮隨機(jī)的風(fēng)電等新能源的接入[14]，針對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)“以熱定電”和“以電定熱”運(yùn)行策略的能量流特點(diǎn)，刻畫相應(yīng)的實(shí)時(shí)冷、熱、電能量流函數(shù)，并建立基于系統(tǒng)燃料成本、購電成本和環(huán)境成本的經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度優(yōu)化模型，研究不同運(yùn)行策略下系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)環(huán)保優(yōu)化調(diào)度。

1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)及其能量流

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)由燃?xì)廨啓C(jī)、輔助鍋爐、余熱鍋爐、風(fēng)電機(jī)組和吸收式制冷機(jī)等構(gòu)成，系統(tǒng)能量流如圖 1 所示。圖中 Ffuel（m3）、fpgu（m3）、fb（m3）分別為聯(lián)供系統(tǒng)天然氣消耗總量、燃?xì)廨啓C(jī)及輔助鍋爐天然氣消耗量。為了準(zhǔn)確反映系統(tǒng)能量流的特性，以能量流函數(shù)來刻畫冷、熱、電等各能量的平衡。

圖1 冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)能量流Fig.1 Energy flow of CCHP system

燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣為驅(qū)動(dòng)能源；余熱鍋爐（熱出力為 Hpgu（kW）；風(fēng)電機(jī)組發(fā)電功率為 Pw（kW），供給系統(tǒng)的電功率為Pw.c（kW）；輔助鍋爐為系統(tǒng)提供Ha（kW）的熱功率補(bǔ)充；吸收式制冷機(jī)以系統(tǒng)熱能Hch（kW）為驅(qū)動(dòng)功率，為用戶提供 Hc（kW）的制冷功率。燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電機(jī)組和城市電網(wǎng)協(xié)調(diào)滿足電負(fù)荷 Pl（kW）的需求。

燃?xì)廨啓C(jī)能同時(shí)提供熱電出力，機(jī)組存在熱電出力可行域[15-16]，如圖2所示。燃?xì)廨啓C(jī)熱電出力可行域可用如下線性不等式描述：

其中，Nlin為燃?xì)廨啓C(jī)熱電出力可行域邊界線性約束的數(shù)量，xm、ym、zm為機(jī)組相應(yīng)線性約束參數(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)可行域的函數(shù)表述形式為 Ppgu（Hpgu）和 Hpgu（Ppgu），不同的運(yùn)行策略，函數(shù)對應(yīng)不同的自變量。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)熱電出力可行域Fig.2 Power-heat feasible operating region for PGU unit

2 “以熱定電”運(yùn)行策略及其經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度優(yōu)化模型

2.1 “以熱定電”運(yùn)行策略的能量流函數(shù)

“以熱定電”運(yùn)行策略是指聯(lián)供系統(tǒng)各供熱機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)先滿足熱負(fù)荷能量流的平衡，因?yàn)槿細(xì)廨啓C(jī)熱、電出力必須運(yùn)行在其可行域內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)電功率的實(shí)時(shí)平衡，因此存在系統(tǒng)與大電網(wǎng)電功率實(shí)時(shí)交互的情況。當(dāng)電負(fù)荷與系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組電功率出力之和的差大于0時(shí)，電功率由城市電網(wǎng)流入系統(tǒng)，小于0則相反。該策略包括以下2種運(yùn)行情況。

（1）當(dāng)熱負(fù)荷與吸收式制冷機(jī)功率之和小于余熱鍋爐最大出力時(shí)，系統(tǒng)熱能由余熱鍋爐提供，輔助鍋爐停運(yùn)。

各機(jī)組電出力存在如下情形。

a.若 Pl＜Ppmgaux（Hh+Hch），燃?xì)廨啓C(jī)電出力為 Pl，風(fēng)電全部上網(wǎng)，供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

b.若Ppmgaux（Hh+Hch）≤Pl＜Ppmgaux（Hh+Hch）+Pw，燃?xì)廨啓C(jī)電出力為Ppmguax（Hh+Hch），風(fēng)電供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

c.若 Pl≥Ppmgaux（Hh+Hch）+Pw，燃?xì)廨啓C(jī)電出力為Ppmgaux（Hh+Hch），風(fēng)電供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

電負(fù)荷不足由電網(wǎng)補(bǔ)充：

（2）當(dāng)熱負(fù)荷與吸收式制冷機(jī)功率之和大于或等于余熱鍋爐最大出力時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)以最大熱出力Hpmgaux運(yùn)行，熱負(fù)荷不足由輔助鍋爐提供補(bǔ)充，本文假設(shè)輔助鍋爐能夠滿足最大熱負(fù)荷需求。

各機(jī)組電出力存在如下情形。

a.若 Pl＜Ppmgaux（Hpmgaux），燃?xì)廨啓C(jī)電出力為 Pl，風(fēng)電全部上網(wǎng)，供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

b.若Ppmguax（Hpmgaux） ≤Pl≤ Pw+Ppmguax（Hpmgaux），燃?xì)廨啓C(jī)電出力為Ppmgaux（Hmpgaux），風(fēng)電供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

c.若 Pl＞Pw+Ppmgaux（Hpmgaux），燃?xì)廨啓C(jī)的電出力為Ppmgaux（Hpmgaux），電負(fù)荷不足由電網(wǎng)提供補(bǔ)充：

風(fēng)電供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

2.2 “以熱定電”運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度優(yōu)化模型

2.2.1 經(jīng)濟(jì)環(huán)保目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)由燃料成本FFuel.C、購電成本FG.C和環(huán)境成本FE.C組成。

a.燃料成本。

其中，Cpgu.F（Ppgu.i.t，Hpgu.i.t）為 Npgu臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)熱、電功率分別為 Hpgu.i.t、Ppgu.i.t（i=1，2，…，Npgu）時(shí)的燃料成本總和（$ /h），Ca.F（Ha.j.t）為 Na臺(tái)輔助鍋爐熱功率為 Ha.j.t（j=1，2，…，Na）時(shí)的燃料總成本，T 為調(diào)度周期內(nèi)調(diào)度時(shí)段總數(shù)。

燃?xì)廨啓C(jī)燃料成本：

其中，Npgu為燃?xì)廨啓C(jī)臺(tái)數(shù)，αi、βi、γi、δi、εi、θi為第 i臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料成本系數(shù)。

輔助鍋爐燃料成本：

其中，Na為鍋爐臺(tái)數(shù)，aj、bj、cj為第 j臺(tái)鍋爐的燃料成本系數(shù)。

b.購電成本。

聯(lián)供系統(tǒng)為滿足電負(fù)荷需求可能向城市電網(wǎng)購電，聯(lián)供系統(tǒng)電力富余時(shí)會(huì)向電網(wǎng)賣電?？紤]分時(shí)電價(jià)，購電成本為：

其中，csell.t、cbuy.t為 t時(shí)刻賣電和購電單價(jià)（$ /（kW·h））；Δt為最小調(diào)度周期時(shí)長（h）；FG.C為正表示聯(lián)供系統(tǒng)向電網(wǎng)購電，為負(fù)表示聯(lián)供系統(tǒng)向電網(wǎng)饋電。

c.環(huán)境成本。

環(huán)境成本主要考慮了聯(lián)供系統(tǒng)污染氣體排放需繳納的懲罰費(fèi)用而帶來的成本[17]：

其中，μe、μf為天然氣燃燒和電能生產(chǎn)過程中的污染氣體排放系數(shù)（g /（kW·h）），cc為污染氣體懲罰系數(shù)（$ /g），Nw為風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。

2.2.2 “以熱定電”運(yùn)行策略的約束

a.等式約束。

模型等式約束包括各機(jī)組在“以熱定電”運(yùn)行策略下的熱電能量流函數(shù)式（2）—（11）和功率平衡約束：

式（18）為電功率平衡，式（19）為熱功率平衡。聯(lián)供系統(tǒng)的熱、電、冷能損耗暫不考慮。

b.不等式約束。

不等式約束包括輔助鍋爐出力約束和在“以熱定電”運(yùn)行策略下燃?xì)廨啓C(jī)熱、電出力約束：

3 “以電定熱”運(yùn)行策略及其經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度優(yōu)化模型

3.1 “以電定熱”運(yùn)行策略的能量流函數(shù)

“以電定熱”運(yùn)行策略是指燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電機(jī)組、城市電網(wǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)先滿足電功率的實(shí)時(shí)平衡，然而燃?xì)廨啓C(jī)固有的熱、電出力可行域約束可能致使系統(tǒng)存在熱能流出力大于負(fù)荷熱能流的情況。本文暫不考慮蓄熱裝置，假設(shè)過剩熱能直接排入大氣，且燃?xì)忮仩t能保證系統(tǒng)的最大熱能流需求。該策略包括以下3種運(yùn)行情況。

（1）當(dāng)電力負(fù)荷小于燃?xì)廨啓C(jī)最大電出力，即Pl＜Ppmguax時(shí)，由燃?xì)廨啓C(jī)出力Pl滿足電力負(fù)荷需求。

風(fēng)電供給聯(lián)供系統(tǒng)的功率為：

各機(jī)組熱出力存在如下情形。

a.若 Hh+Hch＜Hmpgaux（Pl），燃?xì)廨啓C(jī)滿足熱負(fù)荷：

b.若Hpmgaux（Pl） ≤ Hh+Hch，燃?xì)廨啓C(jī)提供 Hpmgaux（Pl）的熱功率，輔助鍋爐提供熱補(bǔ)充：

（2）電力負(fù)荷大于等于燃?xì)廨啓C(jī)最大電出力，且小于風(fēng)電出力和燃?xì)廨啓C(jī)最大電出力之和（Ppmguax≤ Pl＜Ppmguax+Pw）時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)以最大電功率出力Ppmgaux運(yùn)行，風(fēng)電供給聯(lián)供系統(tǒng)的電功率為：

各機(jī)組熱出力存在如下情形。

a.若 Hh+Hch＜Hpmgaux（Ppmgaux），則燃?xì)廨啓C(jī)滿足熱能Hh+Hch需求：

（3）電負(fù)荷大于等于風(fēng)電出力與燃?xì)廨啓C(jī)最大出力之和（Pl≥Ppmgaux+Pw）時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)以最大電功率出力Ppmgaux運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組出力全部供給聯(lián)供系統(tǒng)：

電負(fù)荷缺額由電網(wǎng)補(bǔ)充：

各機(jī)組熱出力存在如下情形。

a.若 Hh+Hch＜Hpmgaux（Ppmgaux），則燃?xì)廨啓C(jī)滿足熱能需求：

b.若 Hh+Hch≥Hpmgaux（Ppmgaux），則燃?xì)廨啓C(jī)熱出力為Hpmgaux（Ppmgaux），熱不足由輔助鍋爐提供：

3.2 “以電定熱”運(yùn)行策略的經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度優(yōu)化模型

3.2.1 經(jīng)濟(jì)環(huán)保目標(biāo)函數(shù)

“以電定熱”運(yùn)行策略下經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)同式（12）。

3.2.2 “以電定熱”運(yùn)行策略的約束

a.等式約束。

模型等式約束包括熱電功率平衡約束式（18）、（19）和各機(jī)組在“以電定熱”運(yùn)行策略下的能量流函數(shù)式（23）—（32）。

b.不等式約束。

不等式約束包括輔助鍋爐出力約束式（20）和在“以電定熱”運(yùn)行策略下燃?xì)廨啓C(jī)熱、電出力約束：

4 算例仿真及結(jié)果分析

4.1 算例及參數(shù)

以某小區(qū)典型日進(jìn)行實(shí)例仿真分析，風(fēng)電機(jī)組出力參照文獻(xiàn)[18]，冷、熱、電典型日負(fù)荷曲線見圖3。

圖3 冷熱電負(fù)荷需求曲線Fig.3 Typical daily cool，heat and power load curves

分時(shí)電價(jià)[19]為：06:00—21:00 買電、賣電價(jià)格分別為 0.13、0.10$ /（kW·h），21:00 至次日 06:00 買電、賣電價(jià)格分別為 0.09、0.05$ /（kW·h）。 天然氣燃燒和電能生產(chǎn)過程中污染排放系數(shù)及相應(yīng)的懲罰系數(shù)[19]μf=220 g /（kW·h），μe=960 g /（kW·h），cc=0.000003$/g。 各電源機(jī)組參數(shù)參見文獻(xiàn)[20]。

4.2 仿真結(jié)果

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在2種不同運(yùn)行策略下調(diào)度周期總成本曲線如圖4所示，環(huán)境成本曲線如圖5所示。調(diào)度周期內(nèi)各成本如表1所示。

圖4 不同運(yùn)行策略下總成本曲線Fig.4 Total cost curves for different operational strategies

圖5 不同運(yùn)行策略下環(huán)境成本曲線Fig.5 Environmental cost curves for differentoperational strategies

表1 不同運(yùn)行策略下調(diào)度周期成本Tab.1 Schedule-cycle cost for different operation strategies $

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

由圖4可知，運(yùn)行策略對聯(lián)供系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響很大。07:00—22:00時(shí)段內(nèi)各調(diào)度時(shí)段“以電定熱”運(yùn)行策略的總成本明顯高于“以熱定電”。而23:00至次日06:00時(shí)段內(nèi)2種調(diào)度策略的總成本基本相當(dāng)，因?yàn)樵谠摃r(shí)段內(nèi)2種運(yùn)行策略的冷、熱、電負(fù)荷均可由燃?xì)廨啓C(jī)提供，且不存在熱、電出力過剩的情況。

但由圖5可知，09:00—21:00時(shí)段內(nèi)“以熱定電”運(yùn)行策略的環(huán)境成本更大，因?yàn)樵谠摃r(shí)段內(nèi)熱負(fù)荷的需求明顯上升，且在該時(shí)段內(nèi)購電價(jià)格達(dá)到0.13$ /（kW·h），導(dǎo)致了環(huán)境成本的增加。

由表1中調(diào)度周期內(nèi)2種運(yùn)行策略下的各成本分析可知：“以熱定電”運(yùn)行策略下聯(lián)供系統(tǒng)總成本比“以電定熱”運(yùn)行策略要低，經(jīng)濟(jì)性得到改善，但后者的購電成本更小，因?yàn)樵凇耙噪姸帷边\(yùn)行策略下，燃?xì)廨啓C(jī)首先滿足電負(fù)荷能量流的平衡，因此降低了聯(lián)供系統(tǒng)從電網(wǎng)的購電功率，從而降低了購電成本。電網(wǎng)購電成本的降低意味著對電網(wǎng)的依賴程度減小，對電網(wǎng)的影響也就越小。綜合調(diào)度周期內(nèi)“以熱定電”的環(huán)境成本更高，因?yàn)椴捎迷摬呗缘臅r(shí)候優(yōu)先滿足熱、冷負(fù)荷意味著聯(lián)供系統(tǒng)對電網(wǎng)的依賴程度增加，使購電成本上升，而單位電能排放系數(shù)為960 g/（kW·h），明顯高于燃?xì)馕廴九欧畔禂?shù)220 g /（kW·h），從而致使“以熱定電”運(yùn)行策略環(huán)境成本要更高。

5 結(jié)論

通過分析冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中冷、熱、電能量流關(guān)系，準(zhǔn)確刻畫了反映系統(tǒng)各能量平衡的物理特性，考慮了能量流的實(shí)時(shí)平衡，提出了“以熱定電”和“以電定熱”運(yùn)行策略的能量流函數(shù)，可作為冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究基礎(chǔ)。

對2種不同運(yùn)行策略，以所提出的能量流函數(shù)為等式約束，考慮燃料成本、購電成本和環(huán)境成本，建立了經(jīng)濟(jì)環(huán)保調(diào)度模型，提高系統(tǒng)的能源利用水平，降低生產(chǎn)成本，改善環(huán)境效益。

仿真結(jié)果表明，“以熱定電”運(yùn)行策略系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益突出，但購電成本更高，對電網(wǎng)的依賴程度更大、影響更嚴(yán)重?！耙噪姸帷边\(yùn)行策略系統(tǒng)環(huán)境效益更顯著。聯(lián)供系統(tǒng)可根據(jù)所需運(yùn)行策略選擇相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度方案。